Руководство по микробиологии виноделия - Превращение азотистых веществ

Запасы азота в природе весьма значительны. Он находится как в свободном состоянии в атмосфере, так и в связанной форме — в виде органических и минеральных соединений. Запасы связанного азота очень велики. Он входит в состав всех живых организмов, составляя примерно 10—25 миллиардов тонн. На образование зелёных растений ежегодно расходуется такое количество азота, которое отвечает 3—5% его запаса в 30-сантиметровом слое почвы всей земной поверхности.
Очень велики запасы азота в чернозёмной почве; их хватило бы растениям на 100—200 лет. Большие запасы азота содержатся и в торфяных почвах, однако этот азот может стать доступным зелёным растениям только после его предварительной минерализации.
Ещё более велики запасы азота в воздухе. В столбе воздуха, находящемся над каждым гектаром земной поверхности, содержится около 80 тыс. тонн молекулярного азота. Однако и этот азот не может служить пищей для растений. Последние могут усваивать только минеральный азот в виде аммонийных солей, нитритов и нитратов.
Превращение органического азота в минеральный азот называется аммонификацией. Это — первый этап превращения органических азотистых веществ в почве. Вторым этапом этих превращений является нитрификация — окисление аммиака сперва в азотистую, а затем в азотную кислоты. Однако процессы превращения азота этим не завершаются. При плохой аэрации почвы нитраты могут подвергаться восстановлению до молекулярного азота. Этот процесс получил название денитрификации. Если аммонификация и нитрификация являются полезными процессами, обогащающими почву минеральным азотом, то процесс денитрификации крайне нежелателен, т. к. он приводит к значительным потерям азота.
Последним этапом превращения азота в почве является фиксация азота атмосферы, в результате чего почва постоянно обогащается азотом за счёт воздуха.
Животные и человек, в отличие от зелёных растений, усваивают азот только в виде готового белка. В процессе обмена веществ организм животных и человека выделяет в качестве отброса мочевину — CO(NH2)a, которая содержится в моче человека до 2,4%. В течение года людьми и животными выделяется около 20 млн. тонн мочевины. Азот мочевины также недоступен зелёным растениям. В огромных количествах мочевина содержится в навозе. В природе накапливалось бы колоссальное количество мочевины, если бы не уробактерии (бактерии аммонификации), превращающие мочевину в соли аммония:

Образующиеся при этом аммонийные соли малоустойчивы и разлагаются, согласно уравнению:

Уробактерии способны переносить значительные концентрации аммиака, т. к. они приспособились к жизни при сильно щелочной реакции. Уробактерии относятся к группе аэробных микроорганизмов, хотя рост некоторых из них возможен и в анаэробных условиях.
Распад мочевины осуществляется под влиянием фермента уреазы, вырабатываемой уробактериями. Наиболее распространёнными и энергичными возбудителями разложения мочевины являются Вас. probatus (Urobacillus Pasteurii) и Sarcina ureae — подвижные спорообразующие бактерии. Аммиак, образующийся при гидролизе мочевины и при гниении белков, претерпевает дальнейшие превращения под влиянием нитрифицирующих бактерий, окисляющих его до азотистой и азотной кислот.
Этот процесс был назван нитрификацией. Он был изучен С. Н. Виноградским, который доказал, что нитрификация протекает в две фазы, каждая из которых имеет свои специфические возбудители. В первой фазе возбудители — нитрозные бактерии — окисляют аммиак до азотистой кислоты:

Возбудители второй фазы — нитратные бактерии — окисляют азотистую кислоту до азотной:

К нитрозным бактериям относится несколько родов, среди которых наибольшее значение имеет род Nitrosomonas — клетки овальной формы с длинными жгутиками, неспорообразующие. К нитратным бактериям относится род Nitrobacter — мелкие, неподвижные, неспорообразующие палочки. Обе эти группы строго специфичны и всегда встречаются вместе. Они — аэробы. По типу питания относятся к хемосинтезирующим микроорганизмам. За счёт энергии, получаемой при окислении аммиака или азотистой кислоты, они ассимилируют углекислый газ воздуха в отсутствие света. Оптимальная температура их развития 30—37° Реакция среды щелочная (pH 8,3— 9,3).
Процесс нитрификации имеет огромное значение для сельского хозяйства, т. к. он обогащает почву минеральным азотом, доступным для питания зелёных растений. В результате процесса нитрификации на чернозёмных почвах на площади в один гектар накапливается 1,5 кг селитры. Для нормальной деятельности этих микроорганизмов большое значение имеет правильная обработка почвы, так как бактерии нитрификации, будучи аэробными, требуют хорошего доступа воздуха к почве.
Наряду с процессом нитрификации, в почве имеет место противоположный процесс, приводящий к восстановлению нитратов до молекулярного азота. Этот процесс называется денитрификацией и вызывается денитрифицирующими бактериями. Эти бактерии — факультативные анаэробы, а восстановление нитратов они осуществляют в анаэробных условиях. Представителями этих бактерий являются Bact. denitrificans, Bact. fluorescens — небольшие подвижные палочки, неспорообразующие.
В природе они очень широко распространены н могут принести большой вред в плохо обработанной почве, разлагая связанный азот до молекулярного.
Не многие микроорганизмы в природе обладают способностью усваивать свободный азот воздуха, превращая его в минеральный. Процесс связывания молекулярного азота воздуха микроорганизмами называется азотфиксацией, а возбудители этого процесса — азотфиксирующими микроорганизмами. К ним относятся клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых растений, и некоторые свободно живущие в почве бактерии, как Azotobacter, а также некоторые маслянокислые бактерии, как Clostridium Pasteurianum.
Клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых растений, были открыты в 1865 г. русским учёным Н. С. Ворониным. В 1886 г. Бейеринк выделил их в чистую культуру и назвал Bact. radicicola. В молодом возрасте это мелкие подвижные палочки. По мере старения они теряют жгутики, становятся искривленными или ветвистыми (их называют бактероидами).
Питаются клубеньковые бактерии готовыми органическими веществами, которые они получают от бобового растения. Взамен они снабжают бобовое растение азотистыми веществами, которые они создают, используя молекулярный азот воздуха. Между бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями устанавливаются симбиотические отношения. Клубеньковые бактерии специфичны для каждого вида бобового растения.
Азотобактер был выделен в 1901 г. Бейеринком. Известно несколько видов этих бактерий, различных по форме (кокки или палочки) Будучи аэробом, азотобактер требует хорошую аэрацию почвы, нейтральную реакцию среды н органический углерод как источник питания.
В 1893 г. С. Н. Виноградский открыл способность некоторых маслянокислых бактерий усваивать молекулярный азот. Эти бактерии были им названы Clostridium Pasteurianum. Азотфиксирующие бактерии имеют огромное значение в природе, т. к. они пополняют убыль связанного азота.